留數定理與積分計算
啞鈴圍道(dogbone contour)
有時多值被積式不只有一個分支點,而是兩個,由一條有限的支割線相連——譬如從 -1 到 1 的一段,跨越它時像根號 (1 - x^2) 這樣的平方根會變號。啞鈴圍道是為此量身打造的曲線:它緊緊裹住整條有限切割,看起來像狗骨頭或啞鈴,每個分支點處有一個小環,由沿切割的兩段直線相連。
形狀:從切割一端的正上方出發,沿切割上緣跑到另一端,繞那個分支點環一圈,沿切割下緣折回,繞第一個分支點環一圈,再閉合。由於從上緣跨到下緣時被積式變號(或拾得一個相位),兩段直線是相互增強而非抵消,正如鎖孔那樣。求值的訣竅通常是從外側看啞鈴:函數在切割外部的區域是單值的(兩個分支點被切割「綁在一起」,故繞兩者的大迴路看不到淨變化),因此把啞鈴向外形變成一個巨圓,啞鈴積分便等於負 2 pi i 乘以無窮遠處的留數(加上切割外任何極點的留數)。
這是處理像從 -1 到 1 的 dx 除以 (1 + x^2) 再乘以根號 (1 - x^2) 這類積分的正確工具,更一般地是有理函數乘以一個有兩個實根的二次式的平方根。與鎖孔的關鍵區別:鎖孔處理一個分支點、配一條通向無窮的無限切割;啞鈴處理由有限切割相連的兩個分支點,而求值常經由無窮遠處的留數、而非內部的留數。
對從 -1 到 1 的 dx 除以根號 (1 - x^2) 再乘以 (a + x),繞 [-1, 1] 的啞鈴把問題化為被積式在無窮遠處與 z = -a 處的留數,給出乾淨的封閉形式。
裹住有限切割,再向外形變並讀出無窮遠處的留數。
平方根的分支必須選得使函數在啞鈴的路徑上、以及切割外部都是單值的;在切割兩緣上平方根取相反的符號,這正是使直線部分相加的原因。弄混這個符號約定會翻轉答案。
又稱
另見